Definición de Energía

        La capacidad para llevar a cabo trabajo.

Definición de Trabajo

        La aplicación de una fuerza a través de una distancia.

Formas de Energía (Véase Figura 1)

        Toda nuestra energía proviene del sol (energía solar) y ésta se origina de la energía  nuclear. Esta energía proveniente del sol la capturan las plantas verdes en forma de energía química a través de la fotosíntesis; esto es, junto con la energía radiante, la clorofila de las plantas, y el agua y el bióxido de carbono, las plantas producen moléculas de alimentos (carbohidratos, grasas, y proteínas) que poseen energía potencial química. Los animales (y seres humanos) dependen de las plantas y otros animales para poder producir su propia energía, la cual se produce mediante la degradación de los nutrientes en la célula (carbohidratos, grasas, y proteínas) con la presencia de oxígeno; dicho proceso se conoce como respiración celular (o metabolismo), y tiene el objetivo de proveer energía para el crecimiento, contracción del músculo, transporte de compuestos y líquidos, y para otras funciones del organismo.

Adenosina de Trifosfato (ATP)

Concepto:

        Es un compuesto químico de alta energía que producen las células al utilizar los nutrientes que provienen de las plantas y animales.

Utilidad (véase Figura 4):

        Cuando este compuesto se descompone produce energía para diferentes funciones vitales del cuerpo (contracción muscular, digestión, secreción glandular, reparación de tejidos, circulación, transmisión nerviosa, etc).

        Consiste en un gran complejo de moléculas, llamada adenosina, y tres componentes más simples, los grupos fosfatos. Los dos últimos grupos fosfatos representan "enlaces de alta energía". En otras palabras, almacenan un alto nivel de energía química potencial.

• Cuando se rompe el enlace terminal del fosfato, se emite energía (alrededor de 7 a 12 kcal por cada mol de ATP), lo cual permite que la célula realice trabajo biológico.
• Subproductos finales:
• Adenosina de difosfato (ADP).
• Un fosfáto inorgánico (Pi).

        La energía emitida durante la descomposición de los alimentos y la fosfocreatina (PC) se unen funcionalmente o se acoplan con las necesidades energéticas de la reacción que resintetiza el ATP de ADP y Pi. Se ha comprobado que ese acoplamiento es el principio fundamental en la producción metabólica del ATP.

Introducción

Definición de Metabolismo:

        Conjunto de reacciones químicas que se realizan en las células del cuerpo, con el fin de proveer energía útil para las diversas funciones orgánicas.

Metabolismo Anaeróbico

El Sistema de ATP-PC (o Fosfágeno) - Véase Figura 11

        Utilidad del sistema. Representa la fuente más rápida de ATP para el uso por los músculos.

        Ventajas. (1) No depende de una serie de reacciones químicas (rápida disponibilidad de energía). (2) No depende de energía.

        Desventajas. Produce relativamente pocas moléculas de ATP. Las reservas musculares de los fosfágenos (ATP y PC) son muy pequeñas (sólo alrededor de 0.3 mol en las mujeres y 0.6 en los varones). En consecuencia, la cantidad de energía obtenible a través de este sistema es limitado, lo cual limita también la producción de ATP (mediante reacciones acopladas).

        Combustible químico del sistema. Fosfocreatina (PC)

        ¿Que es la fosfocreatina? Es otro de los compuestos fosfatados "ricos en energía" que se almacena en las células musculares.

        Estructura de la fosfocreatina (véase Figura 10). Creatina y un fosfato.

         Productos finales. (1) Creatina (C). (2) Fosfato inorgánico (Pi)

        Importancia del sistema para la educación física y deportes. El sistema ATP-PC es útil para las salidas explosivas y rápidas de los velocistas, jugadores de fútbol, saltadores, los lanzadores de pesa y otras actividades similares que requieren sólo pocos segundos para completarse.

El Sistema de Ácido Láctico (Glucólisis Anaeróbica) - véase Figura 9 -:

        Concepto. Vía química o metabólica que envuelve la degradación incompleta (por ausencia de oxígeno) de la glucosa (la forma más simple de los carbohidrátos, los cuales son parte de las sustancias alimenticias), resultando en la acumulación de ácido láctico en los músculos y sangre.

        Combustible químico o sustancia alimenticia utilizada. Carbohidrátos (glucógeno y glucosa).

        Ventajas del sistema. (1) Provee un suministro rápido de ATP. (2) No requiere oxígeno (anaeróbico)

        Desventajas. (1) Solo puede resintetizar algunos moles de ATP a partir de la descomposición de la glucosa (o azúcar): El sistema del ácido láctico sólo puede producir 3 moles de ATP mediante la descomposición anaeróbica (proceso de glucólisis anaeróbica) de 1 mol o 180 gramos (alrededor de 6 onzas) de glucógeno (éste último representa la forma de almacenamiento de la glucosa o del azúcar en los músculos). (2) Elabora ácido láctico como uno de los productos finales, el cual origina una fatiga muscular transitoria cuando se acumula en los músculos y en la sangre a niveles muy elevados.

        Productos finales. (1) Formación limitada de ATP. (2) Acido láctico.

        Importancia del sistema para la educación física y deportes. Este sistema es de suma importancia para aquellas actividades físicas (o pruebas deportivas) que se realizan a una intensidad máxima durante periodos de 1 a 3 minutos, como las carreras de velocidad (400 y 800 metros) y la natación por debajo del agua (sostener la respiración). Además, en algunas pruebas, como la carrera de 1,500 metros o de la milla, el sistema del ácido láctico se utiliza en forma predominante para la "levantada" al final de la carrera.

Metabolismo Aeróbico (El Sistema de Oxígeno) - Véase Figura 10 y Figura 11 -

Concepto:

        Vía química o metabólica que envuelve la descomposición completa (por estar presente oxígeno) de las sustancias alimenticias (carbohidrátos, grasas y proteínas) en bióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O).

Combustible Químico o Sustancias Nutricias/Alimento Utilizado:

• Carbohidrátos (glucógeno y glucosa).
• Grasas.
• Proteínas.

• Produce una cantidad de energía suficiente para elaborar 39 moles de ATP a partir de cada mol (180 gramos) de glucógeno descompuesto completamente en bióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) a través de este sistema (incluyendo el proceso de glucólisis - aeróbica -).
• Produce 130 moles de ATP a partir de la descomposición de 256 gramos de grasa.
• No produce ácido láctico, ya que el oxígeno inhibe la acumulación de éste.

• Requiere la presencia de oxígeno.
• La formación de ATP es lenta, ya que requiere el proceso de tres tipos de reacciones químicas, a saber: glucólisis aeróbica, el ciclo de Krebs y el sistema de transporte electrónico (cadena respiratoria).

• La glucólisis aeróbica se procesa en el citoplasma de la célula.
• El ciclo de Krebs y el sistema de transporte electrónico se realiza en las mitocondrias (compartimientos subcelulares especializados que constituyen el asiento de la elaboración aeróbica del ATP - la "planta motriz").

        Al desviar la mayoria del precursor de el ácido láctico (el ácido pirúvico) en el ciclo de Krebs, luego de haberse formado 3 moles de ATP mediante la glucólisis aeróbica.

Productos Finales:

• Acido pirúvico (producto final de la glucólisis aeróbica).
• CO₂ y H₂O.
• Formación ilimitada de ATP.

        Glucólisis aeróbica. Es un proceso en el cual 1 mol de glucógeno (180 gramos) es descompuesto completamente (en CO₂ y H₂O) con el fin de emitir suficiente energía para elaborar 3 moles de ATP (mediante reacciones acopladas), durante el cual el ácido pirúvico se desvía hacia el ciclo de Krebs ya que el oxígeno inhibe la formación del ácido láctico a partir del ácido pirúvico.

        El ciclo de Krebs (o ciclo del ácido cítrico). Es un proceso metabólico en el cual (luego que el ácido pirúvico haya entrado en el ciclo) ocurren dos principales cambios químicos, a saber:

• La producción de CO₂ (el cual es eliminado eventualmente del cuerpo mediantelos pulmones).
• El traslado (oxidación) de iones de hidrógeno (H+) y electrones (e-).

• Los iones de hidrógeno (H+) y electrones (e-) son "transportados" mediante portadores electrónicos hacia el oxígeno (O₂) que respiramos para así formar agua (H₂O) a través de una serie de reacciones enzimáticas.
• Simultáneamente, el ATP es resintetizado a través de reacciones acopladas apartir de la energía emitida al transportarse los electrones.

        Las grasas son inicialmente degradadas mediante una serie de reacciones químicas (conocido como oxidación beta), con el fin de preparar las grasas (designadas como ácidos grásos) para su entrada al ciclo de Krebs y al sistema de transporte electrónico.

Importancia del Sistema para la Educación Física y Deportes:

        Este sistema se utiliza predominantemente durante ejercicios de larga duración, los cuales son efectuados a una intensidad submáxima, tales como las carreras de largas distancias.

Reposo

Combustible Quimico/Alimenticio Metabolizado:

• Dos tercios provienen de las grasas (ácidos grasos y glicerol).
• Un tercio lo suministran los carbohidratos (glucosa).
• No existe valor alguno en la contribución de las proteínas (aminoácidos).

        Metabolismo aeróbico (sistema de oxígeno). El consumo de oxígeno (0.3 litros/min.) se mantiene constante y es suficiente para suplir el ATP requerido (i.e., el consumo de oxígeno es lo suficiente para satisfacer las necesidades de oxígeno durante el reposo).

Tabla 1: Características Geenrales de los Sistemas Energéticos

Metabolismo Aeróbico Metabolismo Aeróbico Características (Sistema de Oxígeno) Sistema de  Acido Láctico  (Glucólisis Anaeróbica) Sistema de ATP-PC  (Fosfágeno) Combustible Químico Carbohidratos  Grasas  Proteínas Carbohidratos Fosfocreatina Requerimientos  de Oxígeno Sí No No Reservas Musculares Totales de ATP  (Moles) 90.0 1.2 0.7 Velocidad Lento Rápido Muy Rápido Potencia  (Moles de ATP/min) 10 1.6 3.6 Producción Relativa  de ATP Mucha, ilimitada Poca, Limitada Poca, muy Limitada Producción de ATP (1 Mol de Glucógeno) 39 moles de ATP 3 moles de ATP - Ejemplos de  Ejercicios  (Pruebas o Eventos  Deportivos) 42,200 m (Maratón)  10,00 m (6 millas)  Natación: 1,500 m Remo  Trote  Campo traviesa (en Esquí o corriendo)  Sesión normal de entrenamiento en baile/ballet 400-800 m llanos  Natación: 400 m y 500 yardas estilo libre  Boxeo (asaltos de 3 minutos)  Lucha olímpica (asaltos de 2 minutos) Patinaje: 500 metros  Coreografía corta de baile/ballet 100 m llanos  50 m estilo libre  Pruebas de campo  (e.g., salto a lo largo)  "Swings" en golf, tenis y béisbol  Robo de Base en béisbol  Voleibol  Movimientos explosivos de baile/ballet Duración > 3 minutos 1 - 3 minutos < 30 segundos Subproductos Finales Acido Pirúvico  Bióxido de Carbono  Agua (H2O) Acido Láctico  Alanina Creatina (C)  Fosfato (Pi)

        Su presencia en la sangre se mantiene constante y no se acumula (10 mg%, considerado dentro de los valores normales).

Ejercicios de Corta Duración y de Alta Intensidad

Concepto:

        Son ejercicios efectuados a cargas máximas durante 1 a 3 minutos.

Ejemplos:

• Eventos de velocidad (las carreras de 100, 200 y 400 metros llanos).
• La carrera de 800 metros y otros eventos.

• Mayormente carbohidrátos.
• Las grasas como un combustible de menos utilidad.
• La proteína es un combustible sin valor.

        Principal. Predomina el metabolismo anaeróbico (el sistema de ATP-PC y el sistema del ácido láctico).

        Déficit de oxígeno. Representa un estado en el cual la cantidad de energía emitida cuando se consume una cantidad dada de oxígeno para descomponer cierta cantidad de glucógeno o de grasas no es suficiente para resintetizar todo el ATP (mediante reacciones acopladas) que demanda un ejercicio dado (durante los ejercicios de corta duración y durante los inicios de los ejercicios prolongados). Debido a que el consumo de oxígeno es mucho menor al oxígeno que requiere el ejercicio para la producción suficiente de ATP, se activan el sistema fosfágeno (ATP-PC) y la glucólisis anaeróbica (sistema del ácido láctico), con el fin de suplir la mayoría del ATP que requiere el ejercicio.

Nivel del Ácido Láctico:

• El ácido láctico se acumula en altos niveles en los músculos y en la sangre.
• Cuando la acumulación de ácido láctico alcanza sus niveles máximos, se inhibe la contracción muscular, lo cual causa fatiga. La fatiga se acentúa cuando las reservas de glucógeno se agotan, ya que esto significa que se les terminó al músculo su combustible utilizable.

Concepto:

        Son ejercicios que se pueden mantener por períodos de tiempo relativamente largos (de 5 minutos o más).

Combustible Químico/Alimenticio Utilizado:

• Los carbohidrátos (el glucógeno) es el combustible principal durante el comienzo o la etapa inicial del ejercicio (durante la primera o segunda hora de una carrera de 42.2 km). Es importante saber que durante intensidades de trabajo entre el 60% y 90% del VO₂máx (consumo máximo de oxígeno) la contribución del glucógeno como combustible para energía aumenta. Ejercicios que excedan el 90% del VO₂máx utilizan predominantemente el glucógeno como combustible. Los maratonistas de alto rendimiento compiten a intensidades mayores del 80% del VO₂máx.
• Las grasas gradualmente asumen el papel principal durante un maratón debido al agotamiento de las reservas musculares y hepáticas de glucógeno durante la etapa final de la carrera. Durante ejercicios livianos y moderados (50% del VO₂máx), la fuente predominante de energía proviene de las grasas.

• Predomina el metabolismo aeróbico, específicamente luego de los primeros 2 ó 3 minutos, en donde el consumo de oxígeno alcanza un estado estable.
• Estado estable (véase Figura 13): Período del ejercicio aeróbico (regularmente alcanzado luego de 2 ó 3 minutos de haber comenzado el ejercicio) durante el cual la cantidad de energía emitida, cuando se consume una cantidad de oxígeno para descomponer (oxidar) cierta cantidad de glucógeno o de grasa, es la suficiente para resintetizar el ATP requerido por el ejercicio. Por lo tanto, el consumo de oxígeno se mantiene constante, ya que satisface las demandas del oxígeno requerido por un ejercicio prolongado y de baja intensidad.
• El metabolismo anaeróbico se activa solamente durante los inicios del ejercicio, es decir, durante el déficit de oxígeno.

        La pequeña cantidad de ácido láctico acumulada durante los primeros 2 ó 3 minutos de ejercicio (déficit de oxígeno) se mantiene relativamente constante hasta el final del ejercicio (durante el estado estable).

Aspectos Importantes que Ocurren Durante una Carrera Pedestre de Larga Distancia (e.g., Maratón):

• Los carbohidratos son la fuente de energía durante el comienzo o la etapa inicial de la prueba.
• Las grasas se convierten en la fuente principal de combustible a medida que la prueba continúa.
• La llegada de la prueba requiere una "levantada" ("kick") o "sprint" final. Durante esta "levantada" los hidrátos de carbono constituyen un combustible importante, porque participa el sistema del ácido láctico.

        El ácido láctico no es la causa directa de la fatiga muscular durante un ejercicio anaeróbico. Durante un ejercicio de alta intensidad, se produce ácido láctico como subproducto de la glucólisis anaeróbica y debido a la falta de oxígeno. La acumulación del ácido láctico causa una rápida reducción en el pH muscular y sérico. Una reducción en el pH significa un aumento en la concentración de iones de hidrógeno (H+), lo cual ocasiona una acidosis a nivel intracelular. Esto puede reducir los efectos que tienen los iones de calcio (Ca++) sobre troponina, es decir, la contracción de las miofibrillas musculares disminuye, reduciendo así la generación de tensión por el músculo (el ejercicio no se puede ejecutar efectivamente). Además, un bajo pH puede reducir la producción anaeróbica de ATP, provocando en esta forma la fatiga muscular. Aún más, la enzima fosfofructoquinasa (PFK), que es importante para un efectivo funcionamiento de la glucólisis, es inhibida por un bajo pH; esto reduce la rápida producción anaeróbica del ATP.

        La proteína puede contribuir hasta un 10% a las necesidades energéticas del ejercicio. La proteína puede ser utilizada como combustible metabólico durante el ejercicio mediante gluconeogénesis (degradación de los aminoácidos en glucosa o glucógeno por el hígado) o por la conversión de los aminoácidos en acetil-CoA, la cual puede ser convertida en ácidos grasos o puede entrar en el ciclo de Krebs para la producción de energía por el hígado.

       Existen fuentes adicionales de combustibles metabólicos para la producción de energía durante el ejercicio. Estos combustiles son, a saber, el propio ácido láctico y el aminiácido alanina. A continuacón describiremos su funcíón energética durante el ejercicio prologado.
        El ácido láctico: Los maratonistas, quienes producen ácido láctico durante las etapas iniciales de una carrera competitiva, pueden utilizar el ácido láctico como combustible  metabólico más tarde en la carrera; esto es posible mediante la conversión del ácido láctico en glucógeno hepático, el cual puede ser convertido en glucosa sérica para su uso como combustible químico por las células musculares activas.
        Alanina: La alanina, un aminoácido subproducto de la glucólisis anaeróbica, se almacena en los músculos esqueléticos y es liberada durante ejercicios prolongados, durante el cual es transportada mediante la sangre hasta el hígado, donde será             convertida a glucosa mediante gluconeogénesis y devuelta a las células musculares para su uso como combustible metabólico en los sistémas energéticos.

El Continuum Energético (Véase Figura 14)

 Concepto

        Representa la ubicación de los diferentes deportes según su sistema energético predominante (sistema de ATP-PC, sistema del ácido láctico y sistema de oxígeno o aeróbico), el cual le provee la energía (ATP) que requiere dicha actividad física. La idea del continuum energético se basa en el hecho de que la capacidad de cualquier sistema energético para suministrar ATP se vincula con el tipo específico de actividad realizada.

Actividades Físicas que Representa:

        En el extremo superior. Actividades deportivas breves y de alta intensidad, como la carrera de 100 m llanos, en la cual el sistema de fosfágeno (ATP-PC) suministra la mayor parte del ATP.

        En el extremo inferior. Actividades deportivas prolongadas y de menor intensidad (como la carrera del maratón) que son sustentadas casi enteramente por el sistema aeróbico.

        En el medio. (1) Actividades deportivas que dependen en gran medida del sistema del ácido láctico para la obtención de energía en ATP. Las carreras de 400 y 800 m llanos son ejemplos de tales actividades. (2) Actividades que requieren una combinación del metabolismo aeróbico y el anaeróbico, por el ejemplo, las carreras de 1,500 m llanos y la milla.

        Bowers, Richard W. y  Edward L. Fox. (1992). Sports Physiology (3ra. ed., pp. 13-73). Wisconsin: WCB Brown & Benchmark Publishers .

        Fox, Edward L., Richard W. Bowers y Merle L. Foss (1993). The Physiological Basis for Exercise and Sport (5ta. ed., p. 12-40). Wisconsin: WCB Brown & Benchmark Publishers.

        McArdle, William D., Frank I. Katch y Victor L. Katch. (1996). Exercise Physiology: Energy, Nutrition, and Human Performance (4ta. ed., pp.89-137). Baltimore: Williams &Wilkins.

        Noble, Bruce J. (1986). Physiology of Exercise and Sport. St Louis: Mosby, 1986. 570 págs.

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